超聲波輔助花生殼中提取黃酮工藝的研究

廖建慶， 王 涵， 虞貴財

(宜春學(xué)院物理科學(xué)與工程技術(shù)學(xué)院，宜春 336000)

花生是我國重要的食用植物油和休閑食品來源之一，隨著花生產(chǎn)量的逐年增長，由此帶來的大量花生殼浪費問題愈顯突出。研究表明，花生殼中含有豐富的黃酮類化合物、粗纖維、礦物質(zhì)、可溶性碳水化合物以及部分的氨基酸等有效分[1, 2]。作為具有降低膽固醇、降低血糖血脂，具有抗氧化、抗炎抑菌、預(yù)防冠心病等多種藥理活性的花生黃酮，其利用價值正逐漸被人們發(fā)掘[3]?；ㄉ鷼S酮提取方法主要有溶劑提取法[4]、微波輔助提取法[5, 6]、超聲波輔助提取法[2, 7]等。超聲波輔助提取法由于具有耗時短、易操作、提取溫度低、提取效率高等特點，越來越受到廣泛關(guān)注。由于超聲波提取裝置本身頻率和功能不能精細(xì)調(diào)節(jié)等，超聲頻率對花生黃酮的提取影響的研究較少，尤其是連續(xù)寬頻帶超聲頻率對花生黃酮提取的研究鮮見報道。

研究表明，超聲波不僅對提取效或生成物在處理液中的濃度與超聲波頻率高度相關(guān)[8]，而且處理對象中的生物物質(zhì)、細(xì)胞種類也與超聲波頻率高度相關(guān)，不同的生物物質(zhì)、細(xì)胞對不同頻率的超聲波敏感性大不相同[9]。

本實驗以超聲波頻率優(yōu)化提取裝置為依托，采用頻率連續(xù)可調(diào)方法，先將寬頻帶均勻分割成6個不同的窄頻段分配給6個提取槽進(jìn)行頻率的粗搜索，然后將獲得的提取率最高的窄頻段以同樣的方法再次分割成6個微頻段并進(jìn)行頻率細(xì)搜索，由此最終獲得提取效率最高的最優(yōu)頻率。以該最優(yōu)頻率為工作頻率，進(jìn)一步研究其他提取變量對花生黃酮提取率的影響，旨在為進(jìn)一步開發(fā)花生殼黃酮提供工藝技術(shù)參考。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

花生殼由人工剝離花生得到。蘆丁標(biāo)準(zhǔn)品(純度>98%)，無水乙醇、亞硝酸鈉、氫氧化鈉、硝酸鋁、鹽酸等(分析純)。

1.2 儀器設(shè)備

超聲頻率優(yōu)化提取裝置如圖1所示。

圖1 超聲頻率優(yōu)化提取裝置

該裝置頻帶設(shè)置為21～93 kHz，是由6組結(jié)構(gòu)完全相同但工作頻段不同的提取槽以并聯(lián)方式串接構(gòu)成，可以通過總控上位機實時監(jiān)測各個提取槽中花生黃酮提取率的變化曲線直觀地確定最優(yōu)超聲頻率。提取方法和步驟見1.3.1。CF16Rx型日立高速離心機，JA2003型分析天平，F(xiàn)Z-102型植物試樣粉碎機，721A型分光光度計。

1.3 實驗方法

1.3.1 超聲波頻率優(yōu)化提取法

1.3.1.1 提取裝置頻率參數(shù)配置

將頻帶21～93 kHz均勻分割成6段相等的窄頻段見表1，分別配置給6組提取槽。

表1 頻帶21～93 kHz分割配置

1.3.1.2 提取方法和步驟

步驟1：提取裝置參數(shù)配置完成，配制混合提取溶液，并將花生殼樣品注入各提取槽，同時在槽中注入適量的配制好的混合溶液并攪拌均勻，在改變提取條件下依次進(jìn)行超聲波頻率優(yōu)化提取實驗。觀察總控上位機各提取槽的提取率變化曲線圖，確定最優(yōu)頻段，同時判斷該頻段是否為頻帶上界，超聲頻率優(yōu)化步驟如圖2a所示。

圖2 超聲頻率優(yōu)化步驟

如果是，說明花生黃酮的最優(yōu)頻帶恰好為最高頻段81～93 kHz內(nèi)。同時也可能超出該頻段，則以超過93 kHz之外頻帶為對象，用相同方法重新配置提取裝置的各提取槽頻帶并重復(fù)實驗，直至獲得最優(yōu)頻段(不為上界)即可執(zhí)行步驟2。

步驟2：步驟1結(jié)束后，觀察花生黃酮提取率變化曲線，可以得到6組提取槽中提取率最大的一組，則表明該組對應(yīng)的頻段提取效果最好。然后以該最優(yōu)頻段作為下一步工作頻段，再對其進(jìn)行頻段細(xì)分割為圖2b所示。

最后，用同相的方法重復(fù)實驗，最終可以獲得提取率最高的最優(yōu)頻率。超聲波花生黃酮提取率可以通過提取裝置中上位機的實時曲線來表征。實驗中，為了保證因?qū)嶒炌獠織l件(如氣壓、氣溫)發(fā)生變化對實驗產(chǎn)生的影響，實驗均在氣壓為1.013 kPa、室溫為28 ℃恒定的實驗室內(nèi)進(jìn)行。

1.3.2 其他實驗方法及分析

對實驗涉及的蘆丁標(biāo)準(zhǔn)曲線制作、實驗設(shè)計、數(shù)據(jù)分析、花生黃酮提取率的測定和計算方法見文獻(xiàn)[10]。

1.3.3 索氏提取法

LB-ST-2型索氏提取實驗采用索氏提取器，方法及步驟見文獻(xiàn)[11]。

2 結(jié)果與分析

2.1 最優(yōu)超聲頻率的確定與影響分析

2.1.1 超聲頻段的粗搜索結(jié)果及影響分析

在步驟1中，各提取槽頻帶配置見表1，然后根據(jù)實驗步驟和方法在超聲功率350 W、液料比30∶1、溫度40 ℃下超聲提取60 min，花生黃酮在超聲頻帶21～93 kHz作用下的提取結(jié)果如圖3所示。

由圖3可見，在1～3號(21～44 kHz)提取槽內(nèi)，花生黃酮的提取率隨著頻段的增大而逐漸提高，在4號(57～69 kHz)提取槽內(nèi)，花生黃酮的提取率達(dá)到最大值，之后隨著頻段的進(jìn)一步增大，花生黃酮的提取率逐漸降低。因此，頻段57～69 kHz確定為花生黃酮提取的最優(yōu)頻段。

同時還發(fā)現(xiàn)，在4號(57～69 kHz)提取槽中花生黃酮的最大提取率耗時約40 min，比其他頻段作用下的耗時少，其原因可能是該最優(yōu)頻段更接近于花生樣品細(xì)胞的諧振頻率，使得超聲空化更加強烈，加速溶質(zhì)從細(xì)胞中釋放出來[12]。

2.1.2 超聲頻段的細(xì)搜索結(jié)果及影響分析

頻段57～69 kHz分割配置見表2，為了進(jìn)一步獲得最優(yōu)頻率和提高花生黃酮的提取率，將頻段粗搜索獲得的最優(yōu)頻段57～69 kHz按表2均勻分割成6個微小頻段分配給6組提取槽，其他提取條件同步驟1，實現(xiàn)在該頻段內(nèi)最優(yōu)頻率的細(xì)搜索和頻率對提取率的影響分析。

實驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)，花生黃酮在2號(59～61 kHz)提取槽內(nèi)具有最大的提取率，同時2號提取槽提取率達(dá)到最大值所需時間比頻段粗搜索消耗的時間有小幅減少，表明最優(yōu)微小頻段59～61 kHz更接近于花生樣品細(xì)胞的諧振頻率。因此，微小頻段59～61 kHz被確定為提取花生黃酮的最優(yōu)頻段，其中心頻率60 kHz確定為最優(yōu)頻率。在接下來所有實驗中均以該最優(yōu)頻率60 kHz作為超聲波的工作頻率，進(jìn)一步研究其他提取因素對花生黃酮提取率的影響。

圖3 花生黃酮在超聲頻帶21～93 kHz作用下的提取結(jié)果

表2 頻段57～69 kHz分割配置

圖4 超聲功率對花生黃酮提取率的影響

2.2 超聲功率的影響與分析

在超聲頻率60 kHz、提取溫度40 ℃、液料比30∶1下提取38 min，超聲功率分別為60、90、120、150、180、210 W時，改進(jìn)超聲波提取法對黃酮提取率的影響如圖5所示。

圖5 溫度對花生黃酮提取率的影響

由圖5可見，在超聲功率60～150 W作用下，花生黃酮的提取率隨著超聲功率的提高而逐漸升高，功率為150 W時黃酮的提取率達(dá)到最大值，當(dāng)功率從150 W增大至180 W的程中，花生黃酮的提取率基本恒定不變。這可能是由于在大功率條件下，空化氣泡膨脹過大會導(dǎo)致其發(fā)生崩塌的強度較弱，即空化效應(yīng)強度減弱。另外，當(dāng)功率一直增大至210 W時，黃酮的提取率還出現(xiàn)了小幅下降，可能的原因為：一方面，在較大功率作用下液體介質(zhì)中過多的氣泡會阻礙超聲波在液體介質(zhì)中的傳播，由此會減弱超聲波對花生組織細(xì)胞的作用；另一方面，由于功率越高，液體介質(zhì)中的溫度也會隨之升高，由此會進(jìn)一步加速黃酮的降解反應(yīng)，降低提取效率。因此，考慮到高功率對黃酮成分的負(fù)面影響及功率越高能耗也越大，認(rèn)為150 W為提取花生黃酮的最合適超聲功率。

2.3 溫度的影響與分析

為驗證改進(jìn)的超聲頻輔助提取法(IUAE)的有效性，采用索氏提取法(SE)與IUAE提取法進(jìn)行了效果對比實驗及分析。在超聲頻率60 kHz、超聲功率150 W、液料比30∶1下提取38 min，提取溫度分別為20、30、40、50、60、70 ℃時，利用IUAE提取法與SE提取法對黃酮提取率的影響，溫度對花生黃酮提取率的影響如圖5所示。

由圖5可以發(fā)現(xiàn)，對于IUAE實驗結(jié)果，當(dāng)溫度為40 ℃時黃酮提取率就已達(dá)到最大值3.95%，而對于SE結(jié)果，當(dāng)溫度為40 ℃時黃酮的提取率還較低，只有溫度大幅提高至70 ℃時提取率才達(dá)到峰值。其可能原因是IUAE方法在溫度變量作用下可歸因于超聲熱效應(yīng)和空化效應(yīng)，兩種效應(yīng)都跟溫度有關(guān)。對于熱效應(yīng)，提高溫度有助于提高花生黃酮的擴(kuò)散和溶解，因此有利于黃銅的提取，原因跟SE方法相似。但從空化效應(yīng)角度來看，溫度過高會嚴(yán)重影響空化的強度，因此對黃銅提取率會產(chǎn)生負(fù)面的影響。因此，在熱效應(yīng)和空化效應(yīng)兩者之間必然存在一個最佳溫度，使得兩者達(dá)到最佳平衡[13]。因此在IUAE方法中溫度對黃酮提取率較敏感。在SE方法中，溫度低于70 ℃范圍內(nèi)對黃酮的熱效應(yīng)起到主導(dǎo)作用，雖然較高溫度對黃酮可能也會出現(xiàn)少量降解，但降解速度遠(yuǎn)不及熱效應(yīng)產(chǎn)生的溶質(zhì)(黃酮)釋放速度。當(dāng)溫度進(jìn)一步提高，此時黃酮的降解速度跟熱效應(yīng)產(chǎn)生的速度基本保持平衡，因此，在60～70 ℃范圍內(nèi)，黃酮的提取率基本保持不變。因此，在最優(yōu)超聲頻率60 kHz作用下，40 ℃確定為提取花生黃酮的最佳溫度。

2.4 液料比的影響與分析

在超聲功率150 W、超聲頻率60 kHz、溫度40 ℃下提取38 min，液料比分別為1∶1、10∶1、20∶1、30∶1、40∶1、50∶1時，利用IUAE與SE提取法對黃酮提取率的影響，液料比對花生黃酮提取率的影響如圖6所示。在SE提取法中，液料比在(1～30)∶1內(nèi)黃酮提取率的增量很小，之后增加顯著，當(dāng)液料比達(dá)到40∶1時，黃酮提取率達(dá)到峰值，之后又開始小幅回落。對于IUAE提取法，在(1～30)∶1內(nèi)黃酮提取率增加明顯，在液料比為30∶1時，黃酮提取率達(dá)到到最大，隨后又開始減小。這是因為液料比越高會引起更大的濃度差，在傳質(zhì)過程中濃度差值越大越容易促進(jìn)黃酮在液體介質(zhì)中加速擴(kuò)散，但當(dāng)濃度差值達(dá)到最大時，液料比的增大，會使得溶液到基質(zhì)內(nèi)部的擴(kuò)散距離會拉得過長，從而阻礙黃酮提取率的進(jìn)一步增加[14]。因此，最佳液料比選擇30∶1。

圖6 液料比對花生黃酮提取率的影響

另外，用同樣的液料比，IUEA提取法的黃酮提取率最大值約為SE提取法最大值的1倍?？梢?，IUAE提取法較SE提取法有更明顯的優(yōu)勢。

2.5 提取時間的影響與分析

在超聲功率150 W、超聲頻率60 kHz、提取溫度40 ℃、液料比30∶1下，提取時間分別為20、30、38、50、60、70 min時，利用IUAE與SE提取法對黃酮提取率的影響，提取時間對花生黃酮提取率的影響如圖7所示。

圖7 提取時間對花生黃酮提取率的影響

由圖7可見，IUAE提取法的黃酮提取率達(dá)到最大值僅耗時38 min，之后隨著提取時間的延長，提取率出現(xiàn)小幅下降趨勢。因此，IUAE提取法的最佳提取時間確定為38 min。另外，在SE提取法中，提取率達(dá)到最大值的耗時達(dá)到60 min，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過IUAE提取方法所需時間，且達(dá)到峰值后，隨著時間的進(jìn)一步延長，SE提取法的提取率出現(xiàn)明顯下降。該現(xiàn)象說明，SE提取法相比IUAE提取法不僅費時，而且提取效率低。這是因為在IUAE提取方法中的固-液傳質(zhì)過程相比SE提取方法快得多。對于IUAE提取方法在提取率達(dá)到峰值后又出現(xiàn)微小降幅，可能是因為隨著時間的延長提取槽內(nèi)的溶液溫度會小幅上升，使得黃酮出現(xiàn)了降解反應(yīng)?？傊?，在對花生殼提取黃酮實驗中，在提取時間和提取率等方面IUAE提取法相較于SE提取法均有明顯的優(yōu)勢。

2.6 IUAE與UAE提取結(jié)果比較

為了進(jìn)一步驗證IUAE提取法的有效性，對IUAE提取法與傳統(tǒng)超聲波輔助提取法(UAE)進(jìn)行了對比實驗。為實現(xiàn)可比性，IUAE提取法和IUAE提取法在超聲功率、提取溫度、液料比、提取時間、溶劑濃度等因素保持一致，IUAE提取法的超聲頻率采用文中確定的最優(yōu)超聲頻率60 kHz，UAE提取法的超聲波頻率采用文獻(xiàn)[15]優(yōu)化得到的頻率40 kHz。IUAE與UAE提取方法的結(jié)果比較見表3。

表3 IUAE與UAE提取方法的結(jié)果比較

由表3可知， IUAE提取方法和UAE提取法的提取率分別為3.95%和3.21%，表明本實驗提出的IUAE提取法比傳統(tǒng)UAE提取法在相同的提取因素條件下具有高的提取率。

3 結(jié)論

以提高花生黃酮提取率為目的，提出了一種改進(jìn)的超聲波輔助提取法(IUAE)，即由兩步法通過總控上位機可直觀地確定最優(yōu)超聲頻率為60 kHz。

以該最優(yōu)頻率為工作頻率，通過與索氏(SE)提取法和傳統(tǒng)超聲波輔助提取法(UAE)對比實驗和分析，證明了IUAE提取法的有效性。

通過對各提取因素對花生黃酮提取率的影響和分析，得到最佳提取條件為：超聲功率150 W、超聲頻率60 kHz、液料比30∶1、提取溫度40 ℃、提取時間38 min，在此改進(jìn)工藝下的花生殼中黃酮的提取率為3.95%。